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KR102588738B1 - 다중 송신코일 무선전력전송 시스템에서 스택형 코일 구조를 이용한 최대 전송거리 향상 장치 - Google Patents

다중 송신코일 무선전력전송 시스템에서 스택형 코일 구조를 이용한 최대 전송거리 향상 장치 Download PDF

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KR102588738B1
KR102588738B1 KR1020210089009A KR20210089009A KR102588738B1 KR 102588738 B1 KR102588738 B1 KR 102588738B1 KR 1020210089009 A KR1020210089009 A KR 1020210089009A KR 20210089009 A KR20210089009 A KR 20210089009A KR 102588738 B1 KR102588738 B1 KR 102588738B1
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coils
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wireless power
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서동욱
전선재
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한국해양대학교 산학협력단
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Abstract

다중 송신코일 무선전력전송 시스템에서 스택형 코일 구조를 이용한 최대 전송거리 향상 장치가 제시된다. 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 다중 송신코일 무선전력전송 시스템에서 스택형 코일 구조를 이용한 최대 전송거리 향상 장치는 전송거리 성능을 향상시키기 위해 복수의 송신코일 중 수신코일로부터 가장 가까운 송신코일과 수신코일 사이 상호 인덕턴스 및 다른 추가되는 복수의 송신코일과 수신코일 사이 상호 인던턴스들이 미리 정해진 기준을 만족하는 일정 값을 유지하도록 수신코일 및 모든 복수의 송신코일이 복수의 층으로 겹쳐진 스택형 구조를 갖는 복수의 송신코일을 포함한다.

Description

다중 송신코일 무선전력전송 시스템에서 스택형 코일 구조를 이용한 최대 전송거리 향상 장치{Apparatus for Improvement of Maximum Transmission Distance using a Stacked-Coil Structure in Multiple-Transmitter WPT System}
본 발명은 다중 송신코일 무선전력전송 시스템에서 스택형 코일 구조를 이용한 최대 전송거리 향상 장치에 관한 것이다.
두 개의 코일을 사용하는 기존의 무선전력전송 시스템은 전송 가능한 거리가 매우 제한되고, 코일간 최적의 결합을 만족하는 특정한 거리를 벗어나면 부하에 전달되는 출력전력은 급격히 감소된다[1]. 이러한 문제를 해결하기 위해 종래기술[2]에서는 최대의 전력을 전달하기 위해 전송거리에 따라 동작주파수를 조정하는 방법을 제시하였다, 종래기술[3]에서는 자동 임피던스 매칭 시스템을 구현하여 전송거리의 변화에 따라 높은 효율을 구현하였다. 하지만 이러한 방법은 근본적으로 전송거리를 증가시키는 것보다는 이론적으로 달성 가능한 최대 성능을 얻기 위한 방법들이다. 다른 한편으로는, 코일의 구조 최적화를 통해 품질계수를 높여 전송거리를 향상시키는 방안이 제시되었다[4]. 하지만, 제한된 크기에 대해 극적인 코일의 품질계수 증가로부터 개선된 전송 거리도 여전히 사용자들의 기대에는 못 미치는 수준이다.
이러한 기존 무선전력전송 시스템의 전송거리 한계를 극복하기 위해 세 개 이상의 코일을 사용하는 다중 코일 무선전력전송 시스템이 제안되었다. 그 중 릴레이 시스템 구조는 정렬된 송-수신 코일 사이에 코일을 추가해 비교적 먼 거리에서 감소하는 상호 인덕턴스를 쉽게 보완할 수 있다. 종래기술[5]에서는 송신코일과 수신코일 사이에 중재 코일을 추가한 시스템이 두 개의 코일만을 사용하는 일반적인 시스템보다 비교적 먼 거리에서 더 높은 전송효율을 갖는 것을 이론적인 분석과 실험으로 검증하였다. 더 나이가, 종래기술[6]에서는 릴레이 시스템에서 최대의 출력전력을 위한 주파수 조정방법과 코일의 품질계수의 값이 따라 달라지는 중재코일의 최적의 위치에 대한 연구가 진행되었다. 비슷하게, 종래기술[7]에서는 여러 개의 릴레이 코일을 사용하는 시스템에 적용이 가능한 최대의 출력전력조건 기반의 자유공진주파수 조정방법이 제안되었다. 그러나, 코일을 일정한 간격을 두고 지속적으로 추가하는 릴레이 방식의 무선전력전송 시스템은 공간적인 배치 자유도가 매우 떨어지기 때문에 송신 코일과 수신코일 사이에 실용적인 전송거리를 증가시킨다고 보기 어렵다. 다른 방법으로 RF의 빔포밍 배열구조와 같이 다수의 송신코일을 평면으로 배치하여 원하는 방향으로 자기장을 집중시켜 전송거리를 증가시키는 다중 송신코일 무선전력전송 시스템이 제안되었다[8]-[10]. 종래기술[8]에서는 단일 송신코일을 사용하는 경우보다 같은 면적대비 여러 개의 송신코일이 수신코일 사이에 측면적 비 정렬로부터 더 효율적인 전송 커버리지를 갖는다는 사실을 실험적으로 검증하였다. 종래기술[9]에서는 수신코일의 위치에 따라 높은 시스템 효율을 확보하기 위해 DC-DC 컨버터의 듀티 사이클(duty cycle) 원리를 이용하여 최적의 부하조건을 만족시켰다. 비슷하게, 종래기술[10]에서는 수신코일의 다양한 위치변화에 따라 시스템의 지속적인 최대출력전력을 만족시키기 위해 최적의 결합조건 기반의 캐패시턴스 조정방법을 제안하였다. 그러나, 지금까지 다중 송신코일 무선전력전송 시스템의 최대 효율 성능을 위한 여러 연구가 이루어졌음에도 불구하고, 기존의 평면으로 배치되는 시스템 구조는 여러 송신코일에서 생성되는 자기장이 쉽게 분산되는 특성으로부터 짧은 거리에서만 효율적인 전력전송을 수행하는 근본적인 문제가 여전히 남아있다.
기존의 평면형 송신코일 배치의 최대전력전송을 수행하는 임계 전송거리에서 수신코일과 마주보는 송신코일 사이에만 비교적 강한 상호 인덕턴스가 생성되는 구조적인 결점을 개선하기 위해, 본 발명에서는 새로운 스택형 송신코일 구조를 통해 수신코일에 비슷한 자기장들을 효율적으로 집중시켜 기존의 구조보다 더욱 먼 전송거리를 확보하기 위한 방법 및 장치를 제공하고자 한다. 또한, 제안하는 스택형 시스템 구조에 적합하도록 사용되는 코일을 상용화된 무선충전코일이 아닌 얇은 두께와 높은 품질계수를 갖도록 최적화하여, 기존보다 50% 이상 더 높은 전송거리 성능을 확보하여 효과적인 실생활 어플리케이션 적용으로부터 보다 높은 편의성을 제공하고자 한다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 다중 송신코일 무선전력전송 시스템에서 스택형 코일 구조를 이용한 최대 전송거리 향상 장치는 전송거리 성능을 향상시키기 위해 복수의 송신코일 중 수신코일로부터 가장 가까운 송신코일과 수신코일 사이 상호 인덕턴스 및 다른 추가되는 복수의 송신코일과 수신코일 사이 상호 인던턴스들이 미리 정해진 기준을 만족하는 일정 값을 유지하도록 수신코일 및 모든 복수의 송신코일이 복수의 층으로 겹쳐진 스택형 구조를 갖는 복수의 송신코일을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 다중 송신코일 무선전력전송 시스템은 전송거리에 따라 계산된 상호 인덕턴스의 미리 정해진 비율을 만족하는 다중 송신코일 무선전력전송 시스템의 등가회로를 이용하여 최대 시스템 효율 및 최대 출력전력 조건을 계산하고, 계산된 최대 시스템 효율 및 최대 출력전력 조건을 이용하여 모든 복수의 송신코일과 수신코일 사이 상호 인던턴스들이 미리 정해진 기준을 만족하는 일정 값을 유지하도록 하는 복수의 송신코일이 복수의 층으로 겹쳐진 스택형 구조로 배치되어 상기 상호 인던턴스들을 수신코일에 집중시킨다.
본 발명의 실시예에 따른 다중 송신코일 무선전력전송 시스템은 추가되는 복수의 송신코일의 수가 증가할수록 임계 결합 계수는 감소하고 전송거리가 향상된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 추가되는 복수의 송신코일의 수가 증가할수록 하나의 송신코일을 사용하는 경우보다 2 내지 3 사이의 임계 전송 거리 구간에서 송신코일의 수에 따른 시스템 효율이 30% 이상 증가한다.
본 발명의 실시예에 따른 다중 송신코일 무선전력전송 시스템은 2 개의 층을 갖는 수신코일과 송신코일의 경우, 수신코일과 송신코일 사이의 상호 인덕턴스는 하기식으로 나타내고,
여기서, a, b 및 c, d는 마주보는 코일에 대한 각각의 층, N은 턴 수를 나타내고, 두 수신코일과 송신코일 사이의 4 개의 경로인 , , , 에 의존하는 2 개의 층에서 각 턴 루프에 대한 상호 인덕턴스에 대하여 시그마를 취하여 수신코일과 송신코일 사이의 상호 인덕턴스를 계산한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 마주보는 코일에 대한 층 a의 i 번째 턴과 마주보는 코일에 대한 층 c의 j 번째 턴 사이 상호 인덕턴스는 하기식으로 나타내고,
여기서, , 및 이고, 는 상기 마주보는 코일 각각의 적분변수이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 두 수신코일과 송신코일 사이의 4 개의 경로 , , , 각각에 대하여 i 번째 턴과 의 j 번째 턴 사이 상호 인덕턴스를 모두 계산한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 송신코일의 i 번째 턴 반지름과 수신코일의 j 번째 턴 반지름 사이 상호 인덕턴스는 코일 사이 측면거리와 정면거리 및 코일 반지름 정보만을 이용하여 계산한다.
본 발명의 실시예에 따른 다중 송신코일 무선전력전송 시스템은 추가되는 복수의 송신코일의 수가 증가되어도 각각의 송신코일에 입력되는 전류와 각각의 송신코일과 수신코일 사이의 상호 인덕턴스 간의 비율이 미리 정해진 기준을 만족하는 일정 값을 유지한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 임계 전송거리가 포함된 모든 전송거리 구간에서 각각의 송신코일과 수신코일 사이의 상호인덕턴스 중 가장 큰 값과 가장 작은 값 간의 비율이 0.5 이상이다.
기존의 평면형 송신코일 배치의 최대전력전송을 수행하는 임계 전송거리에서 수신코일과 마주보는 송신코일 사이에만 비교적 강한 상호 인덕턴스가 생성되는 구조적인 결점을 개선하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 새로운 스택형 송신코일 구조를 통해 수신코일에 비슷한 자기장들을 효율적으로 집중시켜 기존의 구조보다 더욱 먼 전송거리를 확보할 수 있다. 또한, 제안하는 스택형 시스템 구조에 적합하도록 사용되는 코일을 상용화된 무선충전코일이 아닌 얇은 두께와 높은 품질계수를 갖도록 최적화하여, 기존보다 50% 이상 더 높은 전송거리 성능을 확보하여 효과적인 실생활 어플리케이션 적용으로부터 보다 높은 편의성을 제공할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 다중 송신코일 무선전력전송 시스템의 등가회로도이다.
도 2는 종래기술에 따른 다중 송신코일 시스템의 평면형 코일 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 송신코일 무선전력전송 시스템의 스택형 코일 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 층으로 이루어진 송신 및 수신 무선충전코일을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 5개의 송신코일 시스템에서 전송거리에 따라 계산된 상호 인덕턴스 비율 및 첫 번째 송신코일 및 수신코일 사이 결합계수 결과와 기존의 구조를 비교하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 추가되는 송신코일의 수에 따른 시스템 효율 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 추가되는 송신코일의 수에 따른 계산된 임계 결합계수 및 임계 전송거리 증가율과 기존의 구조를 비교하기 위한 그래프이다.
여러 개의 송신코일을 사용하는 다중 송신코일 무선전력전송 시스템은 오직 하나의 송신코일을 사용하는 전형적인 무선전력전송 시스템 보다 더 넓은 전력전송 측면 커버리지를 갖는다. 그러나 하나의 평면에 송신코일을 배치하는 기존의 방식은 다수의 송신코일로부터 생성되는 자기장을 수신코일에 효율적으로 집중시키지 못해, 전송거리 측면에서는 매우 제한적인 성능 만을 갖는다. 본 발명에서는 이러한 기존의 한계점을 극복하기 위해 전송거리를 효율적으로 증가시키기 위한 새로운 스택형 구조의 무선전력전송 시스템을 제안한다. 그리고 기존의 구조와 제안하는 구조의 성능 비교를 통해 제안하는 스택형 구조가 수신코일에 비슷한 크기의 자기장들을 효율적으로 집중시켜 기존보다 더 먼 전송거리 성능을 확보할 수 있다는 사실을 시뮬레이션을 통해 확인한다. 그리고 모든 송신코일을 완전하게 겹치는 제안하는 구조가 기존의 평면형 구조보다 비교적 먼 거리에서 훨씬 더 효율적인 전력 전달이 가능하다는 사실을 시스템 효율과 임계 결합 계수 분석을 통해 입증하였다. 각 구조의 시스템 성능을 비교 분석하기 위해 상용 무선충전코일 모델 파라미터를 기반으로 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, 제안하는 구조는 기존의 구조보다 더 먼 거리에서 높은 효율을 얻었으며, 특히, 최대 출력 전력을 만족하는 임계 전송거리의 관점에서 송신코일 개수 증가에 따라 기존의 방식은 전송거리가 고작 1% 정도 향상되는 반면에, 제안하는 구조는 최대 40%정도까지 향상되는 우수한 전송거리 성능을 보여주었다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 종래기술에 따른 다중 송신코일 무선전력전송 시스템의 등가회로도이다.
먼저, 높은 전송거리 성능을 갖는 다중 송신코일 무선전력전송 시스템 구조의 특성을 확인하기 위해 시스템의 등가회로를 분석한다. 도 1은 n 개의 송신코일로 이루어진 다중 송신코일 무선전력전송 시스템의 등가회로도이다. LT,k, RT,k, LR, 그리고 RR은 각각 k번째 송신코일의 인덕턴스와 기생 저항, 그리고 수신코일의 인덕턴스와 기생저항이다. 와 kR,k는 각각 k번째 송신코일과 수신코일 사이의 상호 인덕턴스와 결합계수이다. 등가 회로도에서는 시스템의 최대 시스템 효율 조건을 만족시키기 위해서 식 (1)과 같이 k번째 전류와 상호 인덕턴스의 비율이 서로 같도록 조정되었다고 가정하였다[11].
키르히호프의 전압법칙 (KVL)으로부터 n+1개의 공진기에 행렬 식은 다음과 같다:
여기서 ZTx,k=RT,k+jωLT,k+1/ωCT,k와 ZRx = RR+RL+jωLR+1/ωCR 는 각각 k번째 송신 공진기와 수신 공진기의 임피던스이다. 간단한 회로 분석을 위해서 모든 송신코일이 LT의 인덕턴스와 RT를 갖는다고 가정하면, 공진주파수에서 식 (3)는 다음과 같이 다시 나타낼 수 있다:
식 (3)을 이용하여 출력전력을 다음과 같이 나타낼 수 있다:
마찬가지로, 입력전력은 다음과 같다:
식 (4)와 (5)로부터, 일반화된 시스템 효율은 다음과 같이 도출된다:
식 (6)으로부터, 사용하는 송신코일의 개수가 많을 수록, 시스템은 더 높은 효율을 얻는 다는 사실을 알 수 있다. 그리고 시스템이 무한대의 송신코일을 갖고, 를 만족한다고 가정하면, 으로부터 식 (6)은 다음과 같이 근사화될 수 있다:
식 (7)은 수신기만을 사용하는 시스템과 같은 이상적인 최대 시스템 효율을 보여준다. 추가적으로, 이전의 연구 [10]에서 도출된 첫 번째 송신코일과 수신코일 사이 최대 출력전력을 만족하는 임계결합계수를 나타내면 다음과 같다.
여기서 QT=ωLT/RT와 QR=ωLR/RRx는 각각 송신코일의 품질계수와 수신 공진기의 부하 품질계수이다. 최종적으로, 식 (6), (7), 그리고 (8)의 결과로부터, 시스템이 많은 송신코일로부터 지속적인 높은 αk를 갖는 다면, 비교적 먼 전송거리로부터 MR,1이 감소하는 경우에도 시스템 효율 유지를 통해 높은 전력 전달이 가능해진다는 의미가 된다.
도 2는 종래기술에 따른 다중 송신코일 시스템의 평면형 코일 구조를 나타내는 도면이다.
다시 말해, 다중 송신코일 무선전력전송 시스템에서 극적인 전송거리 성능 향상을 위해서는 수신코일의 위치에 따라 그에 제일 가까운 첫 번째 송신코일과 수신코일 사이 상호 인덕턴스가 추가되는 송신코일들과 수신코일 사이 상호 인던턴스들과 최대한 비슷하게 유지될 필요가 있다. 따라서, 이러한 특성을 극단적으로 만족시켜 시스템의 전송거리를 최대화하기 위해 본 발명에서는 도 3과 같이 모든 송신코일들을 완벽하게 겹쳐 놓는 스택형 구조를 제안한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 송신코일 무선전력전송 시스템의 스택형 코일 구조를 나타내는 도면이다.
다중 송신코일 무선전력전송 시스템에서 추가되는 송신코일 개수에 따른 시스템 효율과 임계 결합 거리 성능을 분석하기 위해 수신코일의 자유로운 위치 변화에 따라 변화하는 모든 상호 인덕턴스 예측이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상용 무선충전코일 중 AWCCA-50N50 모델을 기준으로 10 번의 턴 수와 2 개의 층을 갖는 코일 특성을 적용하여 코일 사이 상호 인덕턴스를 계산한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 송신코일을 포함하는 다중 송신코일 무선전력전송 시스템에 있어서, 전송거리 성능을 향상시키기 위해 복수의 송신코일(320) 중 수신코일(310)로부터 가장 가까운 송신코일과 수신코일 사이 상호 인덕턴스 및 다른 추가되는 복수의 송신코일(320)과 수신코일(310) 사이 상호 인던턴스들이 미리 정해진 기준을 만족하는 일정 값을 유지하도록 수신코일(310) 및 모든 복수의 송신코일(320)이 복수의 층으로 겹쳐진 스택형 구조를 갖는 복수의 송신코일(320)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전송거리에 따라 계산된 상호 인덕턴스의 미리 정해진 비율을 만족하는 다중 송신코일 무선전력전송 시스템의 등가회로를 이용하여 최대 시스템 효율 및 최대 출력전력 조건을 계산하고, 계산된 최대 시스템 효율 및 최대 출력전력 조건을 이용하여 모든 복수의 송신코일과 수신코일 사이 상호 인던턴스들이 미리 정해진 기준을 만족하는 일정 값을 유지하도록 하는 복수의 송신코일이 복수의 층으로 겹쳐진 스택형 구조로 배치되어 상기 상호 인던턴스들을 수신코일에 집중시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스택형 구조를 통해 추가되는 복수의 송신코일의 수가 증가할수록 임계 결합 계수는 감소하고 전송거리는 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 층으로 이루어진 송신 및 수신 무선충전코일을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 마주보는 코일에 대한 층을 각각 a, b 그리고 c, d 로 나눈 뒤에 식 (9)와 같이 두 코일 사이 각 4 개의 경로인 M(ai,cj), M(bi,dj), M(bi,cj), 그리고 M(ai,dj)에 의존하는 2 개의 층에서 각 턴 루프에 대한 상호 인덕턴스에 대하여 시그마를 취해준다[12-13]. 여기서 송신코일 i 번째 턴 반지름과 수신코일 j 번째 턴 반지름 사이 상호 인덕턴스를 구하기 위해서는 코일의 각도변화 등을 포함한 여러 가지 복잡한 수식을 사용하지 않고, 오직 코일 사이 측면거리와 정면거리 그리고 코일 반지름 정보만으로 쉽게 도출하기 위해 [13]를 참고하여 식 (10)를 이용하였다. 그리고 구해진 4 개의 경로에 대한 모든 상호 인덕턴스를 전부 합하여 최종적으로 무선충전코일 사이 상호 인덕턴스를 계산한다:
마주보는 코일에 대한 층 a(a-layer)의 i 번째 턴과 마주보는 코일에 대한 층 c(c-layer)의 j 번째 턴 사이 상호 인덕턴스는 다음과 같다:
여기서, , 및 이고, 는 상기 마주보는 코일 각각의 적분변수인다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 5개의 송신코일 시스템에서 전송거리에 따라 계산된 상호 인덕턴스 비율 및 첫 번째 송신코일 및 수신코일 사이 결합계수 결과와 기존의 구조를 비교하기 위한 그래프이다.
도 5는 다중 송신코일 무선전력전송 시스템에서 송신코일이 5개까지 차례로 추가되었을 경우, 도 2의 기존의 구조(도 5(a))와 도 3의 제안하는 구조(도 5(b))에 대한 αk를 전송거리와 코일 반지름 비율에 따라 도출된 결과를 나타낸다. 이때, 시뮬레이션에서는 사용된 시스템 파라미터는 표 1과 같다.
<표 1>
각 전원부는 0.1 Ω의 턴-온(Turn-on) 저항과 LCC(inductor-capacitor-capacitor) 인버터를 통해 식 (1)과 같이 최적화된 송신전류를 갖도록 설정하였다.
도 5(a)와 같이, 기존의 평면형 구조는 수신코일과 동일한 측면 거리를 만족하는 도 2의 수신코일(Rx coil)로부터 가장 가까운 송신코일(Tx-1) 둘레에 추가되는 4 개의 송신 코일에 대한 α2, α3, α4, 및 α5는 완전히 마주보는 첫 번째 송신코일(Tx-1)과 수신코일(Rx coil) 사이 본래의 임계 결합을 만족하는 임계 전송거리는 d/r =1.56 (kc,1 = 0.051) 근처에서 0.05 정도로 매우 낮은 값을 갖게 된다. 그 이유는 도 2의 기존 구조에서 추가되는 송신코일과 수신코일 사이 측면 거리가 코일 직경만큼의 먼 거리를 가짐으로써 그에 대한 상호 인덕턴스가 첫 번째 코일과 수신코일에 대한 상호 인덕턴스보다 매우 작아지기 때문이다. 따라서, 결과적으로 송신 코일이 5개까지 배치되어도 임계 전송 거리가 d/r =1.6 (kc,1 = 0.05)로 본래의 값과 거의 변함 없음을 알 수 있다. 여기서 d/r 이 증가함에 따라 α도 계속해서 증가하여 0.6 정도까지 도달하지만, 이 지점에서는 첫 번째 송신코일과 수신코일 사이 전송거리가 매우 멀어져 결합계수가 전력전달이 거의 불가능한 0.01 이하로 아주 감소하였기 때문에 더 이상 증가된 α의 값이 의미가 있다고 할 수 없다. 반면에, 도 5(b)와 같이, 본 발명에서 제안하는 모든 송신코일이 완전히 겹쳐지는 제안하는 구조에 대한 결과에서는 본래의 임계 전송거리가 포함된 거의 모든 전송거리 구간에서 0.5 이상의 높은 α2, α3, α4, 그리고 α5 가 유지되었다. 따라서, 송신코일이 5개까지 추가가 됨으로써 임계 전송거리가 d/r =2.1 (kc,1 = 0.028)까지 증가한 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 추가되는 송신코일의 수에 따른 시스템 효율 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6에서는 도 2의 기존 구조 및 도 3의 제안하는 구조에서 송신코일이 20개까지 추가된 경우에 대한 전송거리 대비 시스템 효율결과를 보여준다.
평면으로 배치되는 도 2의 기존 구조 같은 경우, 송신코일이 한 개에서 20개까지 증가가 되어도 각 αk 가 측면거리로부터 매우 작은 값만을 갖기 때문에 실용적인 효율 증가가 거의 없는 것을 확인할 수 있다.
반면에, 도 3의 제안하는 스택형 구조는 송신코일 추가에 따라 지속적으로 유지되는 각 αk의 결과로부터 단 하나의 송신코일을 사용했을 때보다 d/r = 2와 d/r = 3 사이의 임계 전송 거리 구간에서 30% 이상의 더 높은 효율을 얻을 수 있다. 또한, 더 먼 거리에서 기존 구조의 시스템보다 제안하는 구조가 더 높은 시스템 효율을 전송거리 성능을 보여주었다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 추가되는 송신코일의 수에 따른 계산된 임계 결합계수 및 임계 전송거리 증가율과 기존의 구조를 비교하기 위한 그래프이다.
제안하는 스택형 구조의 보다 직관적인 전송거리 성능을 확인하기 위해 도 7에서는 최대 20개의 송신코일에 대한 임계 결합 계수를 도출하고, 그에 대한 임계 전송거리를 계산한 결과를 나타내었다. 도 7(b)와 같이, 제안하는 구조에서 추가되는 송신코일의 개수가 많아짐에 따라 사용되는 코일의 두께와 같은 구조적인 한계로부터 전송거리 증가율이 점점 낮아지지만, 송신코일이 5개까지 추가되는 경우에 임계 결합 계수가 0.03 이하까지 감소하여 그에 따라 거의 30%에 가까운 전송거리 향상을 보였다. 그러나, 추가되는 코일이 10개를 넘어가는 경우부터 그 증가율은 매우 낮아져 20개의 송신코일에서 결국 증가율이 40% 정도로 거의 수렴하였다.
한편, 도 7(a)와 같이 기존의 구조는 송신코일의 개수가 8개 이상이 되는 지점부터 송신코일과 수신코일 사이 측면거리가 코일 직경의 2배 이상으로 급격하게 늘어나기 때문에 사실상 전송거리 증가는 이루어지지 않고, 증가율이 1% 에 수렴하였다.
따라서, 제안하는 스택형 구조와 기존의 평면형 구조를 비교했을 때, 추가되는 송신코일에 따라 전송거리를 더욱 극대화하여 근본적인 전송거리 한계점을 충분히 극복할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다중 송신코일 무선전력전송 시스템은 추가되는 송신코일에 따라 전송거리를 향상시키기 위한 스택형 구조를 제안한다. 먼저, 전송거리에 따라 계산된 상호 인덕턴스의 미리 정해진 비율을 만족하는 다중 송신코일 시스템의 등가회로를 통해 일반화된 최대 시스템 효율과 최대 출력전력 조건을 도출한다. 그리고, 먼 거리에서 효율적인 전력전송을 수행하기 위해 평면으로 송신코일이 배치되는 기존의 구조가 아닌 제안하는 구조의 완전히 겹쳐지는 스택형 송신코일들로부터 생성되는 미리 정해진 기준 값을 유지하도록 유사한 크기의 자기장들을 수신코일에 효율적으로 집중시킬 수 있다. 제안하는 스택형 구조의 전송거리 성능을 확인하기 위해 수행된 시뮬레이션에서는 상용 무선충전코일 중 하나인 AWCCA-50N50 모델 파라미터를 사용하였으며, 각 시스템에서 추가되는 코일에 따른 시스템 효율과 임계 전력전송 거리를 도출하였다.
제안하는 구조의 시스템은 송신코일의 추가에 따라 기존의 시스템보다 더 먼 거리에서 높은 시스템 효율을 얻었으며, 기존의 구조는 임계 전력전송 거리를 거의 1% 정도만을 향상시키는 반면, 제안하는 구조는 전송거리 성능을 40% 이상 향상시킬 수 있다. 또한, 스택형 코일 시스템이 얇은 두께와 높은 품질계수를 갖는 코일로 최적화될 경우, 더욱 높은 전송거리 성능을 달성할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
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Claims (10)

  1. 복수의 송신코일을 포함하는 다중 송신코일 무선전력전송 시스템에 있어서,
    전송거리 성능을 향상시키기 위해 복수의 송신코일 중 수신코일로부터 가장 가까운 송신코일과 수신코일 사이 상호 인덕턴스 및 다른 추가되는 복수의 송신코일과 수신코일 사이 상호 인던턴스들이 미리 정해진 기준을 만족하는 일정 값을 유지하도록 수신코일 및 모든 복수의 송신코일이 복수의 층으로 겹쳐진 스택형 구조를 갖는 복수의 송신코일을 포함하고,
    2 개의 층을 갖는 수신코일과 송신코일의 경우,
    수신코일과 송신코일 사이의 상호 인덕턴스는 하기식으로 나타내고,

    여기서, a, b 및 c, d는 마주보는 코일에 대한 각각의 층, N은 턴 수를 나타내고, 두 수신코일과 송신코일 사이의 4 개의 경로인 , , , 에 의존하는 2 개의 층에서 각 턴 루프에 대한 상호 인덕턴스에 대하여 시그마를 취하여 수신코일과 송신코일 사이의 상호 인덕턴스를 계산하는
    다중 송신코일 무선전력전송 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    전송거리에 따라 계산된 상호 인덕턴스의 미리 정해진 비율을 만족하는 다중 송신코일 무선전력전송 시스템의 등가회로를 이용하여 최대 시스템 효율 및 최대 출력전력 조건을 계산하고, 계산된 최대 시스템 효율 및 최대 출력전력 조건을 이용하여 모든 복수의 송신코일과 수신코일 사이 상호 인던턴스들이 미리 정해진 기준을 만족하는 일정 값을 유지하도록 하는 복수의 송신코일이 복수의 층으로 겹쳐진 스택형 구조로 배치되어 상기 상호 인던턴스들을 수신코일에 집중시키는
    다중 송신코일 무선전력전송 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    추가되는 복수의 송신코일의 수가 증가할수록 임계 결합 계수는 감소하고 전송거리가 향상되는
    다중 송신코일 무선전력전송 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    마주보는 코일에 대한 층 a의 i 번째 턴과 마주보는 코일에 대한 층 c의 j 번째 턴 사이 상호 인덕턴스는 하기식으로 나타내고,

    여기서, , 및 이고, 는 상기 마주보는 코일 각각의 적분변수인
    다중 송신코일 무선전력전송 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    두 수신코일과 송신코일 사이의 4 개의 경로 , , , 각각에 대하여 i 번째 턴과 의 j 번째 턴 사이 상호 인덕턴스를 모두 계산하는
    다중 송신코일 무선전력전송 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    송신코일의 i 번째 턴 반지름과 수신코일의 j 번째 턴 반지름 사이 상호 인덕턴스는 코일 사이 측면거리와 정면거리 및 코일 반지름 정보만을 이용하여 계산하는
    다중 송신코일 무선전력전송 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    추가되는 복수의 송신코일의 수가 증가되어도 각각의 송신코일에 입력되는 전류와 각각의 송신코일과 수신코일 사이의 상호 인덕턴스 간의 비율이 미리 정해진 기준을 만족하는 일정 값을 유지하는
    다중 송신코일 무선전력전송 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    임계 전송거리가 포함된 모든 전송거리 구간에서 각각의 송신코일과 수신코일 사이의 상호인덕턴스 중 가장 큰 값과 가장 작은 값 간의 비율이 0.5 이상인
    다중 송신코일 무선전력전송 시스템.
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